Текст книги "Мир вокруг нас"

Автор книги: Этэрнус

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 22 страниц)

Строение ядер изотопов второго ряда таблицы Менделеева

Помимо повторения закономерностей, выясненных ранее – у некоторых изотопов элементов второго ряда таблицы Менделеева, возникают свойства, не встречавшиеся у изотопов водорода и гелия (например, наличие гало-протонов). В целом, рассмотрение устройства ядер второго ряда таблицы Менделеева – позволит лучше убедиться в действии как выясненных закономерностей, так и дополнить их новыми (или, вернее, теми же, но применёнными к более тяжёлым ядрам).

Сложность в построении (вернее, определении конфигураций) ядер элементов второго ряда таблицы Менделеева, и всех более тяжёлых ядер – заключается, прежде всего, в необходимости соединять большее число нуклонов, что даёт множество конфигураций, из которых нужно выбирать правильную (вернее, основное, = невозбуждённое состояние ядра, являющееся наиболее выгодной из этих конфигураций), что требует учёта всех правил, и внимательности.

Конечно, мы не будем тут рассматривать абсолютно каждый изотоп у каждого из элементов второго ряда таблицы Менделеева, т. к. общее число этих изотопов – составляет более сотни. Все изотопы – строятся по аналогии, и так или иначе, с использованием рассмотренных ранее, правил. Мы рассмотрим лишь наиболее показательные и важные, для понимания строения ядер, изотопы во втором ряду таблицы Менделеева, в т. ч. изотопы (ядра) с различными новыми свойствами.

Однако изотопы первого элемента второго ряда таблицы Менделеева, лития – пожалуй, стоит рассмотреть все (их всего 10 (т. е. на 2 больше, чем у гелия, и на 3 больше, чем у водорода)). Вместе со строением ядер, мы будем, одновременно, объяснять и особенности радиоактивных распадов этих ядер, причины имеющихся времён полужизни (либо стабильности), и других их свойств.

Строение ядер изотопов лития

Первый элемент, следующий после водорода и гелия – литий, см. табл. 3. Изотопы лития, по сравнению с изотопами водорода и гелия – это уже более сложные ядра, т. к. с них начинается второй ряд таблицы Менделеева, и на их примере – можно говорить о рассмотрении и более тяжёлых ядер. Изотопы лития (так же как и изотопы всех более тяжёлых элементов) – подразделяются на три группы:

1) протоноизбыточные ядра (для лития – это литий-4 и литий-5, распадающиеся с вылетом протонов);

2) стабильные изотопы (литий-6 и литий-7);

3) нейтроноизбыточные ядра (изотопы от лития-8 до лития-13, распадающиеся путём b^– распада или/и с вылетом нейтрона(ов), см. табл. 4).

Таблица 3

1-й и 2-й ряды таблицы Менделеева

Таблица 4 ^[8]

Изотопы лития

Примечание: m, n – ядерные изомеры

Итак, начнём с рассмотрения легчайшего изотопа лития – лития-4. Это – нестабильный (протоноизбыточный) изотоп, спин которого равен 2. Его строение, объясняющее это значение спина – показано на рис. 56. Видно, что все нуклоны в этом ядре – находятся по одну сторону от плоскости, делившей ядра водорода и гелия на верхнюю и нижнюю части. Также видно, что два протона в ядре лития-4 – находятся на более высоком энергетическом уровне, в то время как место для протона на базовом энергоуровне – пустует. Причина выгоды именно такой конфигурации – заключается в том, что (боковые) протоны – тянут кварковую плотность нейтрона частично в одну сторону, по отношению к (базовому) протону, в отличие от конфигураций, представленных (в сравнении с данной), на рис. 57.

Рис. 56

Рис. 57. Обычная, и примеры неправильных конфигураций лития-4, вид сбоку (схематично)

Вообще, стоит обратить внимание, что литий-4 может существовать – только как такая, как бы возбуждённая конфигурация, т. е. с отсутствием протона в базовом положении. Построить конфигурацию лития-4, которая была бы сколь-нибудь выгодна нуклонам – можно только одну, и именно она имеет спин 2. Все другие конфигурации – имеют меньший спин (в них, как уже было показано, протоны тянут кварковую плотность нейтрона в противоположные стороны, и не могут т. о. образовать ядер, как (в той или иной степени) выгодных объединений нуклонов).

Нейтрон, в правильной конфигурации лития-4 – находится как бы в центре ядра. А сама выгода этого ядра – не только в притяжении нейтрона протонами, но и в утяжелении нейтрона боковыми протонами, что снижает квантовую неопределённость положения нейтрона, увеличивая его связанность с базовым протоном.

Литий-4 – распадается из-за перехода одного из боковых протонов на более низкий (базовый) энергетический уровень, который тут свободен. При этом, второй боковой протон – становится излишним (т. к. тянет кварковую плотность противоположно появившемуся нижнему протону), и поэтому вылетает (тоже переходя в базовое положение, но вне ядра), см. рис. 58.

Рис. 58

Т. к. в целом, распад лития-4 осуществляется за счёт перехода протонов между энергоуровнями (а не через распад нуклона, например), то реакция идёт за характерное время жизни подобных ядер (изотопов), или т. н. несвязанных атомных ядер (= состояний, распадающихся посредством испускания нуклонов (протонов или нейтронов)), поэтому время полураспада лития-4 – всего 91×10^–24 сек.

Далее, переходим к строению ядра изотопа лития-5, конфигурация которого очень близка к литию-4, а спин равен 3/2, см. рис. 59. Механизм распада этого ядра – точно такой же, как у лития-4, поэтому и время жизни – почти такое же, хотя и чуть большее: 370×10^–24 сек. То, что время жизни лития-5 – чуть больше, чем у лития-4 – объясняется тем, что боковые протоны менее охотно покидают своё положение, т. к. там они притягивают ещё и нижний нейтрон (см. на рис. 59), которого не было у лития-4. Причём тянут они его в одинаковую сторону, при этом увеличивая связь этого нейтрона и с базовым протоном.

Рис. 59

В построении конфигураций лития-4 и -5 – ярко проявлено правило замыкания максимальной области пространства (определявшее, в частности, распад трития до гелия-3): расположение граней нуклонов тут таково, что они пытаются приблизить форму ядра к шару, или красивому кристаллу. Вообще, ядра, геометрически – похожи на кристаллы, что служит, в некотором роде, отражением кристаллического (= упорядоченного) строения среды вакуума. Варианты конфигураций изотопов, не отвечающие этому правилу, и не имеющие иных (более значимых) выгод – не реализуются / реализуются лишь как возбуждённые состояния, см. примеры на рис. 60.

Рис. 60

Также стоит обратить внимание, что распад ядра – инициируется движением нуклонов, т. е. что нуклоны в ядре – не являются застывшими, но подвергаются (как минимум, «виртуальным») движениям. Сейчас мы видим ядра как кристаллы, но это – и динамичные образования (обладающие волновой природой).

Но продолжим рассмотрение изотопов лития:

Устройство стабильных изотопов лития – лития-6 и лития-7 (уже упоминавшихся ранее) – см. на рис. 61. В данных ядрах, верхний боковой протон – тянет один или два нижних нейтрона к себе, одновременно увеличивая их связь с остальными (базовыми) протонами ядра. Это оказывается выгодно для всего ядра. Поэтому нижние нейтроны в данных конфигурациях – стабилизируются (даже распад этих нейтронов – оказывается невыгодным, а связь – достаточно крепка, так что они уже не являются гало-нейтронами).

Рис. 61

Можно взглянуть на эти ядра и так: литий-6 – как бы состоит из альфа-частицы (в центре), в соединении с ядром дейтерия, но расколовшимся на верхний протон и нижний нейтрон, слившись т. о. с альфа-частицей в единое ядро. Сумма смещений кварковой плотности в образовавшемся ядре – делает силу связи нуклонов в нём более высокой, чем просто сумма связей нуклонов в альфа частице и дейтерии по отдельности, см. рис. 62. Т. о. образование ядра лития-6 – выгоднее, чем существование альфа-частицы и ядра дейтерия отдельно друг от друга.

Рис. 62

Литий-6, в отличие от лития-7 – имеет место для ещё одного (бокового) нейтрона, чем объясняется (на несколько порядков) более высокая, по сравнению с литием-7, способность этого изотопа поглощать (тепловые) нейтроны [14]. Литий-7 – представляет синтез в едином ядре – альфа-частицы и ядра трития, хотя тритий – также разделился на два нейтрона и протон, расположившиеся по разные стороны от плоскости симметрии ядра (см. рис. 61).

Обратим, ещё раз, внимание, что нейтроны, в том же положении, что и в литии-6 и -7 (нижние боковые нейтроны), в водороде-5 и -7 – могли улететь (распад с вылетом нейтронов), а в гелии-6 и -8 – были связаны сильнее, но могли распасться (b^– распад). В литии-6 и -7 же, нейтроны в этих положениях – связаны настолько сильно, что даже их распад, как уже отмечалось – становится запрещённым (невыгодным). На этом примере – наглядно виден быстрый рост силы связи нейтронов в ядре, с увеличением числа протонов (аналогично – и для случая протонов (вылетающих при распаде лития-4 и -5, но связанных в литии-6 и далее)).

Рост связи нуклонов в целом (и протонов, и нейтронов) – у последующих ядер элементов, постепенно становится более медленным, а после ядра (изотопа) никеля-62 (элемент 4-го ряда таблицы Менделеева, о котором – позже), сила связи нуклонов – постепенно снижается. Поэтому образование элементов более тяжёлых, чем никель, как известно – не даёт энергии, а наоборот, поглощает энергию. До никеля же – т. к. энергия связи нуклонов в ядре растёт с увеличением числа нуклонов, реакции идут с выделением энергии. Причём наибольшее выделение энергии (в расчёте на нуклон) даёт как раз образование ядер элементов в самом начале таблицы Менделеева (в особенности, как уже говорилось, изотопа ⁴He).

Далее: В структуре обоих стабильных ядер, лития-6 и лития-7 – виден кор, в виде альфа-частицы, а значит, нижний энергоуровень (т. н. базовый, или нулевой) – тут заполнен, в отличие от ядер лития-4 и -5, не имевших кора (что впрочем, давало им некоторую выгоду). Спин ядра лития-6 (1) и лития-7 (3/2) – наглядно виден из уже рассмотренных конфигураций этих ядер (рис. 61).

Далее: После стабильных изотопов лития-6 и -7 – начинаются нестабильные, нейтроноизбыточные изотопы, среди которых мы в т. ч. впервые встретим и разберём такое состояние ядра как: ядерные изомеры (имеющиеся у изотопа литий-10). Но обо всём по порядку:

Первый нестабильный, нейтронизбыточный изотоп лития, литий-8 (уже упоминавшийся ранее) – имеет спин 2, и устроен, как показано на рис. 63. Выгоду образования именно такой конфигурации – можно усмотреть в наличии тринейтрона (выгода которого – аналогична уже рассматривавшейся на примере водорода-6). Кроме того, в пользу наличия тринейтрона в литии-8, свидетельствует то, что ядра предыдущих элементов, содержащие тринейтрон – образуют закономерный ряд, ведущий к литию-8, это: водород-6 – гелий-7 – литий-8.

Рис. 63

При этом, добавление двух протонов, при переходе от водорода-6 к гелию-7, и далее – к литию-8, значительно увеличивает связь нейтронов в ядре. Поэтому литий-8 – не может распасться с вылетом трёх нейтронов, как водород-6, или одного нейтрона, как гелий-7. Нейтрон в литии-8 может претерпеть только b^– распад, что является относительно медленным процессом. Поэтому время жизни этого ядра возрастает на порядки (839,4 мс), по сравнению с водородом-6 (2,9×10^–22 сек) и гелием-7 (3,1×10^–21 сек). (Подобное большое различие во временах жизни – ранее было видно на примере сравнения изотопа водорода-5 (>9,1×10^–22 сек), с гелием-6 (806,9 мс): там тоже скачок во времени жизни был обусловлен добавленным протоном, увеличивающим энергию связи нейтронов настолько, что она становится превышающей выгоду от перехода нейтрона в свободное состояние).

В литии-8, отсутствие нейтрона на базовом энергоуровне – впервые становится стабильным, т. е. переход нейтрона из более высокого энергоуровня невыгоден (т. к. разрушает выгоду от тринейтрона, при этом, не приводя к вылету нуклона (нейтрона)). Однако, как уже говорилось, это не запрещает одному из нейтронов претерпевать b^– распад, поэтому литий 8 в целом оказывается нестабильным.

Ещё одна выгода представленной конфигурации лития-8 – в том, что протон связан с двумя нейтронами сверху – в структуру, аналогичную ядру трития, и сила связи нуклонов в этом кластере трития – высока, как и в обычном тритии (хотя для этого, протон и вынужден находиться тут в более высоком энергетическом положении (см. на рис. 63)).

Далее – идёт литий-9, имеющий спин 3/2, и время полужизни 178,3 мс, что очень близко к времени полураспада лития-8 (839,4 мс). Вероятная структура лития-9 – так же может быть близка к литию-8, см. рис. 64. В этой структуре – сохранён механизм водорода-6, что делает её схожей с литием-8, но ценой расположения добавляемого нейтрона не на базовом, а на более высоком энергоуровне.

Рис. 64

Распад лития-9 идёт путём распада одного из нейтронов (b^– распад, аналогично распаду лития-8). Но в 50,8% случаев, при распаде лития-9, дополнительно вылетает нейтрон, что объясняется возможностью передачи части энергии распада – нуклону (нейтрону), связанному относительно слабо, и находящемуся на более высоком энергетическом уровне (в литии-9 – это, очевидно, нейтрон, добавленный последним). Его относительно слабая связь, и расположение на высоком энергоуровне – повышают выгоду (возможность) его перехода в базовое состояние вне ядра (т. е. вероятность вылета нейтрона), в процессе распада ядра. Но ход этому – может дать только b^– распад (другого) нейтрона.

Далее, мы подошли к литию-10 – изотопу, имеющему два изомера (с явлением изомерии мы встречаемся впервые). Изомер – это возбуждённая конфигурация ядра, переход из которой в основное состояние, по тем или иным причинам, затруднён (что приводит к повышенному времени жизни). Обычно, конфигурация изомера – весьма выгодна, и переход из неё в основное состояние – происходит через ряд менее выгодных состояний. Поэтому ядро может задерживаться в такой возбуждённой конфигурации, которая и называется изомером.

Изомеры некоторых ядер – могут существовать минуты, и даже годы (в т. ч. иногда дольше основного состояния) [8]. В случае лития-10, имеющего период полужизни всего 2,0×10^–21 сек, время жизни его (предполагаемых, из наблюдений) ядерных изомеров – 3,7×10^–21 сек и 1,35×10^–21 сек, невелико, но всё же выше времени существования основного состояния (для второго изомера – хотя бы в пределах погрешности измерений [8]), поэтому данные возбуждённые состояния лития-10 – рассматриваются как изомеры.

Вероятная конфигурация ядра лития-10 в основном состоянии (со спином 1), и конфигурация, претендующая на роль его наиболее долгоживущего (явного) изомера (также со спином 1), – показаны на рис. 65. В конфигурации основного состояния на рис., нейтроны располагаются на ещё более высоком энергоуровне, чем когда-либо прежде; при этом, один из нейтронов на этом энергоуровне, будет иметь положительный спин, несмотря на свою перевёрнутость (причины этого – ещё будут рассмотрены, позже).

Рис. 65

Далее: Причиной распада ядра лития-10 (в предполагаемом основном состоянии, со спином 1) – служит переход одного из высокоэнергетичных нейтронов, на более низкий, свободный энергоуровень, в результате чего, соседний нейтрон обретает возможность перейти на базовый энергоуровень вне ядра (ранее он не имел такой возможности, т. к. образовалась бы дырка в ядре), см. рис. 66. Вылетая, нейтрон – уносит с собой лишнюю энергию (ранее затраченную на образование ядра лития-10 (синтез этого ядра – требует поглощения энергии)). То, что литий-10 распадается через вылет нейтрона, а не посредством b^– распада, и имеет крайне малое время жизни – объясняется представленной структурой ядра – наличием свободного энергоуровня (с отсутствием кластера трития), в отличие от ядер лития-8, -9 и -11 (о последнем – далее), распадающихся путём b^– распада (см. табл. 4).

Рис. 66

Следующий изотоп, литий-11 – имеет гало из двух нейтронов, из-за наличия которого, радиус этого ядра – оказывается столь велик, что сравним с таковым для ядра изотопа гораздо более тяжёлого элемента, свинца-208 ^[15], т. е. изотопа 82-го элемента таблицы Менделеева.

Наличие двух гало-нейтронов, и b^– распад лития-11, позволяют требовать от структуры ядра лития-11, чтобы как минимум, два нейтрона в нём – были развёрнутыми наружу, а энергоуровень, бывший свободным в литии-10 – был занят. Этому как раз соответствует структура ядра, представленная на рис. 67. (В подтверждение такой конфигурации ядра лития-11, можно привести и в целом аналогичную структуру аналогичного изотопа следующего элемента, бериллия-14, имеющего четыре гало-нейтрона [16], см. рис. 68).

Рис. 67

Рис. 68

Как и в литии-10, в ядрах лития-11 и бериллия-14, имеется более высокий энергетический уровень, на котором, у последних – расположились гало-нейтроны. Спины нуклонов на этом энергоуровне, как уже говорилось, могут иметь особенности. Чтобы разобраться в них, представим, забегая вперёд, изотоп углерода-8, см. рис. 69. В этом ядре, три протона имеют положительный спин, а три – отрицательный. Теперь возьмём литий-11, и заменим гало-нейтроны на протоны в этом же положении, и попробуем предположить их спин, см. рис. 70. Как показано на рис., из аналогии с углеродом-8, т. к. три протона – имеют положительный спин, то четвёртый протон – может определяться уже как имеющий отрицательный спин (на рис., он и выглядит перевёрнутым). Теперь вернём, на место протонов, гало-нейтроны, и т. о. увидим, что эти нейтроны, находящиеся на том же энергоуровне, что протоны – тоже могут иметь взаимно противоположные спины. Если эти положения верны, то спин лития-11, равный 3/2 – т. о. легко объясняется.

Рис. 69

Рис. 70

Рассмотрим каналы распада лития-11 (табл. 4). Как видно из табл., литий-11 претерпевает b^– распад, что говорит о достаточной связи (выгоде) всех нейтронов в ядре, и занятости более низких энергоуровней (кроме свободного положения в базовом энергоуровне, необходимого для механизма водорода-6), что как раз соответствует уже рассмотренной структуре лития-11 (рис. 67). В 86,3% случаев, b^– распад сопровождается вылетом нейтрона, что так же легко объяснимо этой структурой, т. к. она схожа с литием-9, в котором преобладает такой же канал распада.

Как и в литии-9, в литии-11 возможен и чистый b^– распад, без дополнительного вылета нейтронов (что также может объясняться сходством структур).

Наличие двух дополнительных нейтронов в литии-11, с учётом их весьма слабой связи (гало-нейтроны) – добавляет возможность ещё нескольких, хотя и редких, путей b^– распада – с эмиссией двух нейтронов (4,1%), и трёх нейтронов (1,9%).

Ещё более редкие пути распада (с вылетом ядра дейтерия, и т. п. (табл. 4)) – опускаем.

Далее – следует малоизученный изотоп литий-12 (о времени жизни этого изотопа известно лишь, что оно меньше 10 нс), распадающийся через вылет нейтрона. Вероятная структура этого ядра – показана на рис. 71. Возможность этой структуры, т. е. связанность нейтронов в ней – подтверждается существованием изотопа бериллия-16 (последний изотоп бериллия, имеющий время полужизни 6,5×10^–22 сек, и распадающийся путём вылета двух нейтронов) [8], структура которого – представляется аналогичной, см. рис. 72. Очевидно, что распад лития-12 и бериллия-16, исходя из представленных конфигураций – должен быть аналогичен, по механизму, распаду лития-10, что объясняет известный / наблюдаемый вылет одного / двух нейтронов.

Рис. 71

Рис. 72

Далее: Литий-13 – последний изотоп лития. Как и литий-12 – он малоизучен (спин этого ядра – напрямую неизвестен). Структуру ядра лития-13 (возможное основное состояние), можно получить, добавив нейтрон в вакантное место, имеющееся в литии-12 (и бывшее заполненным в ядре гелия-10 и изомере лития-10), см. рис. 73. Как видно, все, наиболее низкие и выгодные места для нейтронов, в этом ядре – заполнены, и добавлять нейтроны, в общем, больше некуда, поэтому неудивительно, что пока – это последний известный изотоп лития.

Рис. 73

Итак, мы рассмотрели структуру и объяснения свойств ядер всех 10 изотопов элемента лития. Вместе с ядрами водорода и гелия, мы т. о. прошлись по 25 первым изотопам таблицы Менделеева, с т. зр. их наглядного внутреннего строения, объясняющего их различные свойства. Это – уже много значит, для дальнейшего построения ядер более тяжёлых элементов по аналогии (по выявленным правилам (закономерностям), но применяемым к новым и сложным ядрам).

На примере первых 25 изотопов таблицы Менделеева, мы рассмотрели причины различий величин спинов ядер, их времён полужизни, числа изотопов у элементов, причины различных каналов распада и их соотношения, наличия ядерных изомеров и гало-нейтронов. Упрощая, можно сказать, что мы рассмотрели примерно половину, из числа того основного, что требуется для представления о ядерном уровне вещества. Но идём далее: